核反應(yīng)（英文：nuclear reaction），即原子核的“化學(xué)反應(yīng)”，是原子核與原子核，或者原子核與各種粒子之間的相互作用引起的各種變化。一般情況下，核反應(yīng)是由以一定能量的入射粒子轟擊靶核的方式出現(xiàn)；入射粒子可以是質(zhì)子、中子、光子、電子、各種介子以及原子核等。核反應(yīng)通常分為四類：衰變、粒子轟擊、裂變和聚變。在核反應(yīng)中，質(zhì)量，能量，動量，角動量和宇稱保持守恒。
1919年英國的E·歐內(nèi)斯特·盧瑟福首次實現(xiàn)了人工核反應(yīng)。1934年，居里夫婦第一次實現(xiàn)了產(chǎn)生人工放射性核素的核反應(yīng)。1942年，芝加哥大學(xué)成功啟動了世界上第一座核反應(yīng)堆——芝加哥一號堆，從此開啟了人類的原子能時代。
核反應(yīng)是宇宙中普遍存在的重要自然現(xiàn)象，是恒星的能量來源。核反應(yīng)是產(chǎn)生不穩(wěn)定核的最重要手段。研究核反應(yīng)的重要目的之一是獲取核能。
簡史
理論探索
1919年英國的E·歐內(nèi)斯特·盧瑟福用天然放射性物質(zhì)的α粒子轟擊氮，首次用人工實現(xiàn)了核反應(yīng)。1920年，英國物理學(xué)家亞瑟·埃丁頓提出太陽的能量來自氫原子核到氦原子核的聚變過程。1928年，美國核物理學(xué)家伽莫夫揭示了聚變反應(yīng)中的庫侖勢壘隧穿效應(yīng)。1929年，阿特金森和奧特麥斯從理論上計算了氫原子聚變成氦原子的反應(yīng)條件，指明了熱核聚變研究的方向。1932年，英國科學(xué)家考克拉夫和瓦耳頓發(fā)明高壓倍加器，并把質(zhì)子加速到500keV，實現(xiàn)了7Li(p，α）4He核反應(yīng)，釋放的粒子每一個具有8.9MeV動能。這是第一個在加速器上實現(xiàn)的核反應(yīng)，也是人類通過核反應(yīng)實現(xiàn)釋放核能的一個例子。同年，詹姆斯·查德威克利用9Be(α，n)12C 反應(yīng)，不僅變革了原子核，還發(fā)現(xiàn)了中子。
1934年，居里夫婦用27Al（α，n)30P核反應(yīng)產(chǎn)生了第一個人工放射性核素。同年，馬克·奧利芬特用氫的同位素氘轟擊氘，生成氚，實現(xiàn)首個 D-D 核聚變反應(yīng)。1936年，奧格·玻爾提出了復(fù)合核模型，成功地解釋了很多核反應(yīng)現(xiàn)象。1938年，貝特證明太陽能源來自氫核聚變成氦核的熱核反應(yīng)，提出了“碳循環(huán)”和“氫循環(huán)”核聚變理論。1938~1939 年，德國人哈恩、施特拉斯曼用中子轟擊鈾，發(fā)現(xiàn)了核裂變現(xiàn)象，李斯曼特納和弗里希預(yù)言了裂變在理論上應(yīng)伴隨著大量的能量釋放。
實踐應(yīng)用
1942年12月2日，芝加哥大學(xué)成功啟動了世界上第一座核反應(yīng)堆——芝加哥一號堆，內(nèi)部成功產(chǎn)生了可控的鈾核裂變鏈式反應(yīng)，從此開啟了人類的原子能時代。1942年：首次實現(xiàn)D-T反應(yīng)。普渡大學(xué)用氫的同位素氘轟擊同位素氚，實現(xiàn)首個D-T核聚變反應(yīng)。1952年：首顆氫彈爆炸。在西太平洋埃尼威托克島秘密爆炸了一顆氫彈，標(biāo)志著人類成功的實現(xiàn)了不可控核聚變。1954年，蘇聯(lián)建成了世界上第一座核電站——奧布靈斯克核電站，標(biāo)志著核電正式進入了商用階段。
定義
核反應(yīng)是指入射粒子（或原子核）與原子核（稱靶核）碰撞導(dǎo)致原子核狀態(tài)發(fā)生變化或形成新核的過程。其過程可分為核裂變和核聚變。在反應(yīng)過程中，質(zhì)子和中子不斷地交換介子推，產(chǎn)生了強大的核力。核力是使核子組成原子核的作用力，屬于強相互作用力的一類。原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新的原子核，這就是核反應(yīng)過程。
在核反應(yīng)中，用于轟擊原子核的粒子稱為入射粒子或轟擊粒子，被轟擊的原子核稱為靶核；核反應(yīng)發(fā)射的粒子稱為出射粒子，反應(yīng)生成的原子核稱為剩余核或產(chǎn)物核。
核反應(yīng)一般可以表示為：，或者，這里，分別用和代表單射粒子，靶核，出射輕粒子，和剩余核。它們相應(yīng)的靜質(zhì)量和動能分別為和。不管其內(nèi)部反應(yīng)如何，根據(jù)能量守恒，總有：
。
在核反應(yīng)的過程中，會產(chǎn)生不同于入射彈核和靶核的新的原子核。因此，核反應(yīng)是生成各種不穩(wěn)定原子核的根本途徑。
核裂變
核裂變，又稱核分裂，是一個原子核分裂成幾個原子核的變化。是指由重的原子，主要是指鈾或鉉，分裂成較輕的原子的一種核反應(yīng)形式。
核聚變
核聚變是指由質(zhì)量小的原子，在一定條件下發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應(yīng)形式。
原理
核反應(yīng)不是通過一般化學(xué)方法所能實現(xiàn)的，而是用到很多近代物理學(xué)的實驗技術(shù)和理論。
首先要用人工方法產(chǎn)生高能量的核“炮彈”，如筑原子核、氫原子核、免原子核等，利用這些“炮彈”猛烈撞擊別的原子核，從而引起核反應(yīng)。各種各樣的加速器，都是為了人工產(chǎn)生帶電的高能粒子用作核“炮彈”來進行核反應(yīng)的。以一定能量的入射粒子轟擊原子核，當(dāng)入射粒子與原子核的距離接近到10-15米時，兩者之間的相互作用就會引起原子核的各種變化，從而產(chǎn)生不穩(wěn)新原子核，該新原子核通過放出能量或粒子達到穩(wěn)定狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“衰變”。
過程
奧格·玻爾提出的復(fù)合核模型認為，一般的低能核反應(yīng)是分兩個階段進行的，第一階段是單射粒子射到靶核中，形成一個新的處于激發(fā)態(tài)的原子核，稱為復(fù)合核。第二階段是復(fù)合核發(fā)生衰變，放出粒子并形成余核。這樣核反應(yīng)過程可表示為a+A->c*—B+b，式中的c*表示處于激發(fā)態(tài)的復(fù)合核。
復(fù)合核模型的基本思想和液滴模型相同。當(dāng)入射粒子射入靶核后，就和周圍的核子發(fā)生強烈的作用，從而把能量傳給附近的核子，這些核子又把能量傳給自己周圍的核子。當(dāng)入射粒子在核中穿行時，這一過程很快就擴展到原子核的各個部分，它帶到核中的能量（這包括它在質(zhì)心系統(tǒng)中的動能和它與靶合結(jié)合時的結(jié)合能）很快就分配給核中所有的核子。經(jīng)過多次碰撞，最后核子間的能量傳遞達到動態(tài)平衡，單射粒子也留在核中和靶核融為一體，和其他核子沒有什么區(qū)別。
大量的實驗研究和理論分析表明，復(fù)合核雖然是核反應(yīng)的一種重要機制，但并不能概括核反應(yīng)的全部過程。一般認為輕粒子低能核反應(yīng)是一個三階段過程。核反應(yīng)的第一階段是入射粒子接近到靶核勢場作用范圍內(nèi)，一部分受到勢場作用而發(fā)生彈性散射，另一部分則被核“吸收”而消失。被“吸收”而消失的入射粒子可以是和核中的核子作用，把核子打出來直接產(chǎn)生了核反應(yīng)（稱直接反應(yīng)），也可以是單純地被核吸收而留在核中。這個過程很像光波射到一個灰色玻璃球上，一部分受到玻璃球的反射和折射，另一部分則被玻璃球吸收。描述核反應(yīng)這一階段的理論模型稱為光學(xué)模型。原子核使單射粒子發(fā)生散射和吸收的平均勢場則稱為光學(xué)勢。入射粒子被吸收后，在頻繁交換能量達到統(tǒng)計平衡而形成復(fù)合核之前，和核中的核子只碰撞幾次就可能產(chǎn)生反應(yīng)，這種過程稱為多步過程或平衡前反應(yīng)，也叫做預(yù)平衡發(fā)射。這種反應(yīng)是介于直接反應(yīng)和復(fù)合核之間的一種中間過程，是入射粒子和靶核相互作用的第二階段發(fā)生的反應(yīng)。第三階段的核反應(yīng)就是形成復(fù)合核并發(fā)生衰變。如果衰變時放出的粒子和入射粒子相同，就稱為復(fù)合彈性散射，如果不同，則稱為核反應(yīng)或復(fù)合核反應(yīng)。上述的反應(yīng)過程和機制只對輕粒子引起的低能核反應(yīng)適用，高能輕粒子核反應(yīng)則是以直接反應(yīng)為主，甚至可將原子核打碎并產(chǎn)生介子等新的粒子。重離子核反應(yīng)可看成是兩個原子核發(fā)生碰撞，反應(yīng)機制要復(fù)雜得多，很多詳細的過程還不十分清楚。
所需條件
要使兩個原子核相互碰撞，它們之中最少有一個原子核具備足夠高的能量(稱為炮彈)，或者兩個原子核都具備足夠高的能量。早期，在實驗室中常用的炮彈有兩種：一種是來自放射源(可以發(fā)射出具有一定能量的粒子的放射性原子核)的粒子，包括中子、α粒子、高能γ射線；第二種是來自離(粒)子加速器的離子束。放射源是早期實驗用的工具，可以是天然的，也可以是人造的。核反應(yīng)堆中子源是一個常用的中子源。加速器是實驗室使用的大型實驗裝置，它有許多類型，例如高壓倍加器、串列加速器、回旋加速器和同步加速器。
再一個就是需要有合適的靶原子核，一般都會選擇一種由單一的穩(wěn)定原子核構(gòu)成的材料，固體的或者是氣體的，制成需要的靶子，以備使用。還有一個不可缺少的條件就是需要有探測粒子和原子核的設(shè)備，根據(jù)需要，其結(jié)構(gòu)由簡單的一個探測器，或是幾個探測器的組合，更復(fù)雜的是由幾種不同類型的探測器組合起來的鑒別系統(tǒng)，如超重核的鑒別系統(tǒng)。
影響核反應(yīng)的重要因素有三個：反應(yīng)系統(tǒng)中原子核的質(zhì)量、炮彈核的速度和瞄準距離。這三個因素可以歸結(jié)到角動量中。
相關(guān)概念
質(zhì)心坐標(biāo)系：
以兩個相互碰撞原子核的質(zhì)量中心為原點的坐標(biāo)系。通常實驗者進行核反應(yīng)研究時，會將待轟擊的靶子豎直固定在一個真空室的中心位置。以這個位置為原點，以炮彈前進的方向為Z軸，X軸在水平面。Z-X 之間的夾角記作θ，Z-Y 之間的夾角記作?。這樣的坐標(biāo)系就是所謂的實驗室坐標(biāo)系。在這個坐標(biāo)系中，可以很方便地記錄炮彈的能量，核反應(yīng)過程中發(fā)射各種粒子的總數(shù)及其分布等。
在討論理論問題時，為了理論計算的方便，建立了質(zhì)心坐標(biāo)系，即以炮彈和靶原子核的質(zhì)量中心為坐標(biāo)原點，以炮彈的運動方向為 Z 軸方向的坐標(biāo)系。用一套公式，可將實驗室坐標(biāo)系的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為質(zhì)心坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)。
反應(yīng)截面：
簡單說，反應(yīng)截面就是炮彈核與靶原子核發(fā)生碰撞的概率。假設(shè)單位面積上只有一個靶原子核，一個炮彈粒子轟擊這一單位面積時，與這個靶原子核撞上的概率就是反應(yīng)截面。實際實驗時，已知單位面積上的靶原子核數(shù)為N，測定在一定時間內(nèi)單射到單位面積上的炮彈數(shù)目(I )，以及發(fā)生反應(yīng)的數(shù)目(N')，一般用σ表示反應(yīng)截面(概率)，則σ=N'/IN。發(fā)生某種核反應(yīng)的幾率用核反應(yīng)截面來表征。
核反應(yīng)中的各種截面均與入射粒子的能量有關(guān)，截面隨入射粒子能量的變化關(guān)系稱為激發(fā)函數(shù)，即σ(E)-E的函數(shù)關(guān)系;與此函數(shù)相應(yīng)的曲線為激發(fā)曲線。
反應(yīng)道
每一種核反應(yīng)稱為一個反應(yīng)道。反應(yīng)道由入射道和出射道構(gòu)成。入射粒子和靶核組成入射道，出射粒子和剩余核組成出射道。同一單射道可以有若干出射道，同一出射道也可以有若干入射道。
只有滿足質(zhì)量數(shù)、電荷、能量、動量、角動量和宇稱等守恒條件，核反應(yīng)才能發(fā)生，相應(yīng)的反應(yīng)道稱為開放的，或簡稱開道，反之為閉道。
反應(yīng)能
核反應(yīng)過程總是伴隨著能量的吸收或釋放，前者稱為吸能反應(yīng)，反者稱為放能反應(yīng)。反應(yīng)能常用Q表示。反應(yīng)能Q應(yīng)等于反應(yīng)前后體系總質(zhì)量之差(以能量為單位)；對Q>0的核反應(yīng)稱之為放能反應(yīng)；對于Q<0稱為吸能反應(yīng)。
反應(yīng)閾能
對于吸能反應(yīng)而言，能發(fā)生核反應(yīng)的最小單射粒子動能Ta稱為核反應(yīng)閾能Tth。為保持動量守恒，入射粒子的動能除了要供給被體系吸收的Q值外，還要提供反應(yīng)產(chǎn)物的動能，顯然，Ta必須超過Q一定的數(shù)值才能發(fā)生吸能反應(yīng);要使吸能反應(yīng)能發(fā)生，入射粒子在L系中的動能Ta至少等于(ma+mA)/mA×Q，并定義為反應(yīng)閾能Tth;
反應(yīng)產(chǎn)額
核反應(yīng)的產(chǎn)額是入射粒子在靶體引起的核反應(yīng)數(shù)與入射粒子數(shù)之比，Y=N/I0;Y與反應(yīng)截面、靶的厚度、組成等有關(guān);對靶體，不同深度處的核反應(yīng)截面是不同的。
類型
參考資料
特點
守恒定律
大量實驗表明，在原子核反應(yīng)過程中，反應(yīng)系統(tǒng)遵守以下幾個守恒定律：
參考資料
連鎖反應(yīng)
某些核反應(yīng)存在連鎖反應(yīng)的現(xiàn)象，如：U-235和中子的核反應(yīng)：只要有一個中子轟擊U-235，就會放出3個中子，3個中子再去轟擊U-235就會生成9個中子，這樣連續(xù)下去，在幾微秒的時間里，就使反應(yīng)進行得非常劇烈而放出巨大的能量，具有這種特點的反應(yīng)，我們稱之為連鎖反應(yīng)。原子彈的爆炸能夠如此劇烈，就是由于發(fā)生了連鎖反應(yīng)。
主要問題
核反應(yīng)實際上研究兩類問題:一是研究在能量、動量等守恒的前提下核反應(yīng)能否發(fā)生；二是研究參加反應(yīng)的各類粒子間的相互作用機制并進而研究核反應(yīng)發(fā)生的概率大小。
應(yīng)用
軍事
軍事上，利用核裂變反應(yīng)可以制造原子彈；利用核聚變反應(yīng)制造氫彈。原子彈和氫彈所發(fā)生的核反應(yīng)具有不可控制性，瞬間釋放的能量會給人類帶來災(zāi)難。
核能
研究核反應(yīng)的重要目的之一就是獲取核能。利用可控核反應(yīng)，建立原子反應(yīng)堆，,和平利用核能。
參考資料 >
科技名詞丨什么是核反應(yīng)？.今日頭條.2024-11-20
原子核碰撞的過程——核反應(yīng).網(wǎng)易.2024-11-19
原子核的“化學(xué)反應(yīng)”.原子核的“化學(xué)反應(yīng)”.2024-11-19
專項答題 | 關(guān)于核能利用，你知道的有多少？.今日頭條.2024-11-19
核聚變有哪些歷史大事件?.國家核安全局.2024-11-19